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摘 要 随着电压跌落在电能质量诸多问题中的日益突出,很有必要对电压跌落问题做一个比较深入全面的分析。
关键词电压跌落;感负荷
中图分类号TM714.2文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)082-0025-01
1电能质量的概念
电能质量(供电质量)参数通常可分为两个范畴:1)由国际(或国家)标准明确定义的电能质量参数,如电压频率、偏差、波动与闪变、三相电压不平衡度、谐波等;2)暂时尚无国际(或国家)标准,仅仅给出一些指标值供参考。这些参数包含了一些电压指标和供电可靠性指标,如电压跌落(voltage sags)、短期与中期电压中断。不能形成标准表明仍有大量工作要做,但并不掩饰其重要性。一些敏感负荷在用电申请与电能质量投诉上已多次涉及该类问题。
如果从电压的幅值和波形(指非等幅正弦波)上划分,所涉及的电压质量问题如下:1)幅值问题,如电压偏差、三相电压不平衡(负序)等;2)波形问题,如谐波、电压波动与闪变等;3)既有幅值问题又有波形问题,如过电压、电压跌落、电压中断等。
2电压跌落的产生原因及危害
从系统侧看去,电能质量的概念和电压质量的概念相类似。所以系统应尽可能提供理想的电压波形与幅值。最重要的电压质量问题之一是电压跌落(电压凹陷)。电压跌落是指供电系统中某点的工频电压有效值下降至额定值的10%~90%,持续时间为0.5个周期到一秒的一种现象。电压跌落在电力系统的频繁出现将引起许多电能质量问题。近十几年来,由于敏感负荷的增加,由电压跌落造成的经济损失也迅速增加。
供电电流是由用户负荷确定的。负荷多少对电能质量敏感或产生危害电能质量扰动。敏感负荷是指对电能质量问题特别敏感的一类负荷,电能质量的下降将使电气设备运行不正常、老化甚至损害;扰动负荷是指特别产生了有害电能质量的扰动的一类负荷,应提供附加的治理措施减小这种危害。
扰动负荷由其负荷特性决定,可能产生电压波动、过电压、电压跌落以及谐波、负序和其他干扰。如冶金电弧炉产生电压波动与闪变、谐波与负序等电能质量问题;电气化铁路牵引负荷产生电压波动、谐波与负序等电能质量问题。现场测量显示这一类冲击负荷还形成电压突然跌落,瞬间电压下降超过10%。较平稳的整流负荷如电解锌、铝厂等主要产生特征谐波.需要特别指出的是,随着电力电子技术的推广,工业生产过程对电能质量与供电可靠性的要求越来越高。如电压跌落与短期/中期电压中断对使用微电子器件的装置或生产过程产生严重影响,常常是装置误动、损坏或产品报废的主要原因。工业用户对电能质量与供电可靠性有不同的要求。传统电能质量问题如谐波或闪变通过在源头采取治理措施能够很好地解决。但是电压跌落及电压中断这一类问题,适合于在电网侧解决。
大部分电压跌落是由于雷击和输电线路短路故障引起的。感应电动机的启动等也会引起电压跌落,但这种电压跌落一般并不严重。雷击引起的绝缘子闪络和线路对地放电是造成系统电压跌落的主要原因。由于电力系统中的大多数设备是暴露在露天的,在雨季或多雷地区,暴露在露天的运行设备很容易受到雷电千扰。因雷击引起的电压跌落约占总数的60%左右,并且持续时间超过5个周期。系统故障是引起电压跌落的另一重要原因。目前配电系统中的线路主保护一般是分段式电流保护,该保护最大的缺陷就是在线路故障时不能做到无延时地切除故障。即使是无延时保护,其固有动作时间也要3~6个周期,因此在故障期间,线路上的敏感负荷将被迫退出工作。如线路上装有重合闸装置时,由此引起的电压跌落次数将成倍增加。故障引起的电压跌落的幅值大部分都在30%额定值以下。按输电线路的故障类型可分为三相短路、单相接地、相间短路三种情况。对三相短路而言,电压跌落是对称的,因此可用传统的电压跌落深度和持续时间来描述。但对于不对称故障,各相电压幅值、相角跳变不相同,因此,电压跌落还伴随着不对称现象,而且,由于供电端变压器绕组联接方式的不同以及负荷连接方式的不同,使得同一故障点产生的电压跌落由输电线路送到不同负荷时产生的电压跌落类型也不相同。
一般情况下,用来描述电压跌落特征的参数主要有3个:一是电压跌落的幅值,即电压发生突然下降后的电压幅值大小,常用电压幅值跌落深度(MF=Usag/Uref)来表示,其中Uref指跌落前的电压有效值,Usag表示电压跌落时的有效值,发生不对称电压跌落时,指电压基波正序分量的有效值;二是电压跌落时的相角跳变,指电压跌落前后相位角的变化,不对称电压跌落时,指电压基波正序分量的相角变化;三是电压跌落起止时刻,即电压跌落的持续时间。
3电压跌落抑制方式
研究表明电压跌落是当前业界所面临的代价最大的电能质量问题。国际上已有若干产品用于减小电压跌落的影响,简要介绍如下:
1)不间断电源UPS。在减小电压跌落与电压中断影响的装置中UPS是最受欢迎的。在电压跌落期间平稳移动到UPS供电而解决电压稳定问题,效率达到92%~97%。缺点是大容量受限制,费用高。
2)动态电压恢复器DVR。由于只在电压跌落出现时提供负荷满足正常电压所需的功率消耗,所以效率较高,费用低于UPS,CVT和MG。采用串联补偿技术的用户电力。主要由逆变器、储能装置与变压器组成动态电压恢复器DVR,变压器串联接入向敏感负荷供电的线路,当电网电压发生变动时,DVR通过变压器提供一等量的反向电压变动校正输出电压至理想的电压波形,从而维持电压稳定,对谐波也有抑制作用。理论上DVR仅需负荷功率的30%就可以消除所有不大于30%额定电压的电压凹陷,通常覆盖了电压凹陷数量的95%。逆变器可使用IGBT,GTO等电力电子开关器件。DVR可以补偿电压跌落、谐波、过电压和三相不平衡,但主要用于减轻电压跌落的影响。其对电压跌落的持续补偿能力依赖于储能装置的容量。
3)磁谐振变压器CVT。在电压跌落下降到正常值的70%时仍能提供平稳电压支撑,效率在70%~75%。体积比标准变压器稍大,容量通常在20KVA以下。
4)电动机发电机组MG用电动机的惯性在电压凹陷时保持发电机电压平稳并向负荷供电(达到数秒)。
5)变压器分接头调节器。现有的产品可在一个半周期内完成调整。受变压器分接头的调节范围限制,仅在一定程度上减轻电压跌落影响。
6)用并联补偿技术的用户电力。由静止断路器SSB和静止偿器STATCOM组成。这里的STATCOM是使用IGBT或GTO电力电子器件的脉宽调制(PWM)逆变器,具有无功发生器和有源滤波的作用。在正常运行条件下它由电网供电,向联接点提供电压调节、功率因数校正和滤除谐波所需的补偿分量。超导储能技术SMES替代STATCOM中的电容器很有发展前景。目前,STATCOM的主要应用范围在1MWs~5000MWh.当扰动负荷接入电网引起电能质量问题时,应安装串联或并联补偿设备。通常补偿装置安装在计量仪表的出线侧,由用户控制。现在一些国家流行安装在计量仪表的进线侧,由电力公司控制,相应的服务费用也增加。使用有源装置STATCOM,DVR可以向用户提供更高的电能质量,并且能清除用户注入系统的扰动。
除了传统的无源补偿措施,如串电抗器电容补偿、滤波电容器、晶闸管投切电抗器TSC、静止乏补偿器SVC、有源补偿装置,如有源滤波器APF、静止无功发生器SVG、DVR也得到广泛应用。
关键词电压跌落;感负荷
中图分类号TM714.2文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)082-0025-01
1电能质量的概念
电能质量(供电质量)参数通常可分为两个范畴:1)由国际(或国家)标准明确定义的电能质量参数,如电压频率、偏差、波动与闪变、三相电压不平衡度、谐波等;2)暂时尚无国际(或国家)标准,仅仅给出一些指标值供参考。这些参数包含了一些电压指标和供电可靠性指标,如电压跌落(voltage sags)、短期与中期电压中断。不能形成标准表明仍有大量工作要做,但并不掩饰其重要性。一些敏感负荷在用电申请与电能质量投诉上已多次涉及该类问题。
如果从电压的幅值和波形(指非等幅正弦波)上划分,所涉及的电压质量问题如下:1)幅值问题,如电压偏差、三相电压不平衡(负序)等;2)波形问题,如谐波、电压波动与闪变等;3)既有幅值问题又有波形问题,如过电压、电压跌落、电压中断等。
2电压跌落的产生原因及危害
从系统侧看去,电能质量的概念和电压质量的概念相类似。所以系统应尽可能提供理想的电压波形与幅值。最重要的电压质量问题之一是电压跌落(电压凹陷)。电压跌落是指供电系统中某点的工频电压有效值下降至额定值的10%~90%,持续时间为0.5个周期到一秒的一种现象。电压跌落在电力系统的频繁出现将引起许多电能质量问题。近十几年来,由于敏感负荷的增加,由电压跌落造成的经济损失也迅速增加。
供电电流是由用户负荷确定的。负荷多少对电能质量敏感或产生危害电能质量扰动。敏感负荷是指对电能质量问题特别敏感的一类负荷,电能质量的下降将使电气设备运行不正常、老化甚至损害;扰动负荷是指特别产生了有害电能质量的扰动的一类负荷,应提供附加的治理措施减小这种危害。
扰动负荷由其负荷特性决定,可能产生电压波动、过电压、电压跌落以及谐波、负序和其他干扰。如冶金电弧炉产生电压波动与闪变、谐波与负序等电能质量问题;电气化铁路牵引负荷产生电压波动、谐波与负序等电能质量问题。现场测量显示这一类冲击负荷还形成电压突然跌落,瞬间电压下降超过10%。较平稳的整流负荷如电解锌、铝厂等主要产生特征谐波.需要特别指出的是,随着电力电子技术的推广,工业生产过程对电能质量与供电可靠性的要求越来越高。如电压跌落与短期/中期电压中断对使用微电子器件的装置或生产过程产生严重影响,常常是装置误动、损坏或产品报废的主要原因。工业用户对电能质量与供电可靠性有不同的要求。传统电能质量问题如谐波或闪变通过在源头采取治理措施能够很好地解决。但是电压跌落及电压中断这一类问题,适合于在电网侧解决。
大部分电压跌落是由于雷击和输电线路短路故障引起的。感应电动机的启动等也会引起电压跌落,但这种电压跌落一般并不严重。雷击引起的绝缘子闪络和线路对地放电是造成系统电压跌落的主要原因。由于电力系统中的大多数设备是暴露在露天的,在雨季或多雷地区,暴露在露天的运行设备很容易受到雷电千扰。因雷击引起的电压跌落约占总数的60%左右,并且持续时间超过5个周期。系统故障是引起电压跌落的另一重要原因。目前配电系统中的线路主保护一般是分段式电流保护,该保护最大的缺陷就是在线路故障时不能做到无延时地切除故障。即使是无延时保护,其固有动作时间也要3~6个周期,因此在故障期间,线路上的敏感负荷将被迫退出工作。如线路上装有重合闸装置时,由此引起的电压跌落次数将成倍增加。故障引起的电压跌落的幅值大部分都在30%额定值以下。按输电线路的故障类型可分为三相短路、单相接地、相间短路三种情况。对三相短路而言,电压跌落是对称的,因此可用传统的电压跌落深度和持续时间来描述。但对于不对称故障,各相电压幅值、相角跳变不相同,因此,电压跌落还伴随着不对称现象,而且,由于供电端变压器绕组联接方式的不同以及负荷连接方式的不同,使得同一故障点产生的电压跌落由输电线路送到不同负荷时产生的电压跌落类型也不相同。
一般情况下,用来描述电压跌落特征的参数主要有3个:一是电压跌落的幅值,即电压发生突然下降后的电压幅值大小,常用电压幅值跌落深度(MF=Usag/Uref)来表示,其中Uref指跌落前的电压有效值,Usag表示电压跌落时的有效值,发生不对称电压跌落时,指电压基波正序分量的有效值;二是电压跌落时的相角跳变,指电压跌落前后相位角的变化,不对称电压跌落时,指电压基波正序分量的相角变化;三是电压跌落起止时刻,即电压跌落的持续时间。
3电压跌落抑制方式
研究表明电压跌落是当前业界所面临的代价最大的电能质量问题。国际上已有若干产品用于减小电压跌落的影响,简要介绍如下:
1)不间断电源UPS。在减小电压跌落与电压中断影响的装置中UPS是最受欢迎的。在电压跌落期间平稳移动到UPS供电而解决电压稳定问题,效率达到92%~97%。缺点是大容量受限制,费用高。
2)动态电压恢复器DVR。由于只在电压跌落出现时提供负荷满足正常电压所需的功率消耗,所以效率较高,费用低于UPS,CVT和MG。采用串联补偿技术的用户电力。主要由逆变器、储能装置与变压器组成动态电压恢复器DVR,变压器串联接入向敏感负荷供电的线路,当电网电压发生变动时,DVR通过变压器提供一等量的反向电压变动校正输出电压至理想的电压波形,从而维持电压稳定,对谐波也有抑制作用。理论上DVR仅需负荷功率的30%就可以消除所有不大于30%额定电压的电压凹陷,通常覆盖了电压凹陷数量的95%。逆变器可使用IGBT,GTO等电力电子开关器件。DVR可以补偿电压跌落、谐波、过电压和三相不平衡,但主要用于减轻电压跌落的影响。其对电压跌落的持续补偿能力依赖于储能装置的容量。
3)磁谐振变压器CVT。在电压跌落下降到正常值的70%时仍能提供平稳电压支撑,效率在70%~75%。体积比标准变压器稍大,容量通常在20KVA以下。
4)电动机发电机组MG用电动机的惯性在电压凹陷时保持发电机电压平稳并向负荷供电(达到数秒)。
5)变压器分接头调节器。现有的产品可在一个半周期内完成调整。受变压器分接头的调节范围限制,仅在一定程度上减轻电压跌落影响。
6)用并联补偿技术的用户电力。由静止断路器SSB和静止偿器STATCOM组成。这里的STATCOM是使用IGBT或GTO电力电子器件的脉宽调制(PWM)逆变器,具有无功发生器和有源滤波的作用。在正常运行条件下它由电网供电,向联接点提供电压调节、功率因数校正和滤除谐波所需的补偿分量。超导储能技术SMES替代STATCOM中的电容器很有发展前景。目前,STATCOM的主要应用范围在1MWs~5000MWh.当扰动负荷接入电网引起电能质量问题时,应安装串联或并联补偿设备。通常补偿装置安装在计量仪表的出线侧,由用户控制。现在一些国家流行安装在计量仪表的进线侧,由电力公司控制,相应的服务费用也增加。使用有源装置STATCOM,DVR可以向用户提供更高的电能质量,并且能清除用户注入系统的扰动。
除了传统的无源补偿措施,如串电抗器电容补偿、滤波电容器、晶闸管投切电抗器TSC、静止乏补偿器SVC、有源补偿装置,如有源滤波器APF、静止无功发生器SVG、DVR也得到广泛应用。